简析功能梯度材料的热应力分析及研究进展

　　0引言
　　随着工业技术的发展，材料科学的研究与发展不再局限于如金属、陶瓷、合金等均质材料，根据外部环境的不同可能对同一材料提出不同的功能要求，这类材料一般由两种物理性质完全不同的材料复合而成。例如:在航空航天技术领域里，高性能航天飞行器的耐热覆层要求材料即能耐超高温，又能承受巨大的内部温差，均质材料无法承受航天飞行器往返大气层时由于摩擦而产生的超高温度，金属与陶瓷的复合材料既能满足耐热性要求，也能满足强度的要求，然而二者的热膨胀系数不同，若将金属与陶瓷直接组合成一种复合材料，界面处会产生无法承受的热应力，从而导致材料的破坏。FGM连续改变组织、结构及空隙等要素，使材料内部界面消失并缓解热应力，得到性能呈连续平稳变化的一种新型非均质复合材料。
　　1 FGM的热应力理论分析
　　在FGM的制备及使用过程中将会产生温度的变化，这将引起FGM中各组分不均匀的收缩或膨胀，从而产生很高的热应力。掌握热应力的分布规律是研究FGM在设计和制备方面最基本的理论依据。因而，要深入地分析残余热应力不仅是现阶段FGM研究的一个热门也是一个难题。
　　1.1 FGM组分分布模型与普通的复合材料不同的是，FGM材料的组分和孔隙等要素均按一个或两个方向发生连续、平缓或阶梯状的变化，因此需建立一个方程将FGM材料组分与梯度变化方向联系起来。
　　1.2物理参数模型在进行FGM热应力计算以前，必须确定FGM材料的物性参数值，由于非均匀材料的物性参数是由材料内部的微观组织结构决定的混合律推算得来的，依据混合律可半定量地确定不同组分混合料的物性参数值
　　2功能梯度材料热的应力分析
　　目前解析法主要应用于线弹性条件下FGM残余热应力的计算，而对于弹塑性FGM的分析计算方法研究很少，对于非均质材料，要得到热应力分布的精确解析解是不可能的，因为解析法局限性很大，仅仅限于解决一维问题。针对于FGM组成和热应力分布的复杂性，采用有限单元分析方法来对残余热应力分布进行计算是较为可行的一种方法。
　　美国犹他大学教授根据经典弹性力学推导出了弹塑性条件下FGM残余热应力的解析计算表达式，并对Ni-A1203系列的FGM平板状试样的残余热应力进行了研究。结果表明:
　　①当FGM组分梯度呈线性分布时残余热应力最小;当组分梯度呈凸状分布时在陶瓷层产生的残余应力为拉;反之，残余应力为压。②Ni和A1203系的热膨胀系数和弹性模量随温度变化对残余热应力的影响很小。③对Ni-A120。系的FGM平板状试样，增加材料梯度层数目可有效降低残余热应力。
　　FGM热应力的解析法分析虽然简单易行，但是其计算精度比较低，采用有限元分析方法能够对FGM残余热应力进行精确的分析。
　　李臻熙等通过对Ni-A1203系FGM制备过程中产生的残余热应力进行有限元分析，得到下面的结论:
　　①在一定范围内，残余热应力随着FGM梯度层的厚度增大而减小;②FGM残余热应力在当其组分分布系数p=0.75时最小;③FGM起到了缓和NFGM的Ni-A120。界面附近的应力集中现象，应力分布较为均匀，各轴向应力和切向应力分量最大值均明显降低。
　　3结语
　　针对目前对FGM热应力研究状况和发展的趋势，还可进一步开展以下工作:①由于FGM的各项物性参数在沿着组分梯度方向发生的变化很大，且与微观结构也有很重要的关系，应当建立更为精准的微观结构模型来对FGM的物性参数进行计算，可以将模糊数学理论引入FGM物性参数的计算模型。②应当加强对热力学理论及本构方程的研究和推导以完善FGM的组分分布模型与物理参数模型在理论推导方面的建立。③应展开对FGM多维非线性分析的理论及具体的试验探究。